ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي PD333-3C/H0/L2 - قطر 5 مم - جهد عكسي 32 فولت - حساسية ذروة 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الصمام الثنائي الضوئي PD333-3C/H0/L2 هو صمام ثنائي ضوئي من نوع السيليكون PIN، عالي السرعة والحساسية، مُحاط بغلاف بلاستيكي قياسي بقطر 5 مم. تم تصميم هذا الجهاز للتطبيقات التي تتطلب كشفاً ضوئياً سريعاً، مستفيداً من سعة الوصلة الصغيرة وزمن الاستجابة السريع. استخدام الإيبوكسي الشفاف كمادة للعدسة يجعله حساساً لطيف واسع، بما في ذلك الإشعاع المرئي وتحت الأحمر، مع حساسية ذروة محددة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. أهداف تصميمه الأساسية هي توفير أداء موثوق في حلول الاستشعار المدمجة والفعالة من حيث التكلفة.

2. تحليل معمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تحليلاً موضوعياً للمعايير الكهربائية والضوئية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

يتم تصنيف الجهاز لجهد عكسي أقصى (VR) يبلغ 32 فولت، وهو ما يحد الحد الأعلى لجهد الانحياز الذي يمكن تطبيقه دون المخاطرة بتلف دائم. نطاق درجة حرارة التشغيل (Topr) هو من -25°C إلى +85°C، وهو مناسب لمعظم البيئات التجارية والصناعية. يمكن التخزين في نطاق أوسع من -40°C إلى +100°C. درجة حرارة اللحام (Tsol) محددة عند 260°C، وهي درجة حرارة ذروة قياسية لعمليات إعادة التدفق الخالية من الرصاص. تبديد الطاقة (Pc) هو 150 ميلي واط عند أو أقل من 25°C درجة حرارة محيطة، وهي معلمة حاسمة لإدارة الحرارة في دائرة التطبيق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

الاستجابة الطيفية واسعة، تغطي عرض نطاق (λ0.5) من 400 نانومتر إلى 1100 نانومتر، مع طول موجة حساسية الذروة النموذجي (λP) عند 940 نانومتر. هذا يجعله مثالياً لتطبيقات استشعار الأشعة تحت الحمراء، مثل تلك التي تستخدم مصابيح LED تحت الحمراء بموجة 850 نانومتر أو 940 نانومتر. تشمل معايير الحساسية الرئيسية جهد الدائرة المفتوحة النموذجي (VOC) البالغ 0.39 فولت وتيار الدائرة القصيرة النموذجي (ISC) البالغ 40 ميكرو أمبير، وكلاهما تم قياسه تحت إشعاع (Ee) بقوة 1 ميلي واط/سم² عند 940 نانومتر. تحت انحياز عكسي 5 فولت، يكون تيار الضوء العكسي النموذجي (IL) 40 ميكرو أمبير تحت نفس ظروف الإشعاع. تيار الظلام العكسي (ID)، وهو معيار حاسم لأداء الإضاءة المنخفضة، يبلغ نموذجياً 5 نانو أمبير عند VR=10V، بحد أقصى 30 نانو أمبير. السعة الكلية للوصلة (Ct) تبلغ نموذجياً 18 بيكو فاراد عند VR=5V وتردد 1 ميغا هرتز، مما يؤثر مباشرة على سرعة الجهاز. زمني الصعود والهبوط (tr/tf) يبلغان نموذجياً 45 نانو ثانية لكل منهما عند القياس مع VR=10V ومقاوم حمل (RL) بقيمة 100 أوم، مما يؤكد قدرته العالية على السرعة. زاوية الرؤية (2θ1/2) هي 80 درجة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات أداء نموذجية توضح كيف تختلف المعايير الرئيسية مع ظروف التشغيل. هذه المنحنيات أساسية لمهندسي التصميم للتنبؤ بالأداء في العالم الحقيقي.

3.1 الحساسية الطيفية

يظهر منحنى الحساسية الطيفية الاستجابة النسبية للصمام الثنائي الضوئي عبر الأطوال الموجية من حوالي 400 نانومتر إلى 1100 نانومتر. يبلغ المنحنى ذروته بشكل حاد حول 940 نانومتر، مما يؤكد تحسينه للضوء تحت الأحمر القريب. تنخفض الحساسية بشكل كبير في المنطقة المرئية العميقة وما بعد 1100 نانومتر.

3.2 الاعتماد على درجة الحرارة

يبرز منحنيان تأثيرات درجة الحرارة: تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطة وتيار الظلام العكسي مقابل درجة الحرارة المحيطة. يظهر منحنى تخفيض تبديد الطاقة كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للطاقة مع زيادة درجة الحرارة المحيطة فوق 25°C. يوضح منحنى تيار الظلام أن ID يزداد بشكل أسي مع درجة الحرارة، وهي خاصية شائعة للوصلات شبه الموصلة. هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة، حيث أن زيادة تيار الظلام ترفع مستوى الضوضاء الأساسي.

3.3 الخطية والاستجابة الديناميكية

يوضح منحنى تيار الضوء العكسي مقابل Ee خطية الصمام الثنائي الضوئي. على مدى نطاق محدد من الإشعاع، يجب أن يزداد التيار الضوئي (IL) خطياً مع قوة الضوء الساقط. يظهر منحنى زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل كيف يزداد زمن الصعود/الهبوط (tr/tf) مع مقاومة الحمل الأعلى (RL). بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة، يكون مقاوم حمل منخفض القيمة (مثل 100Ω المستخدم في المواصفات) ضرورياً، على الرغم من أنه ينتج تقلباً أصغر لجهد الخرج.

3.4 السعة مقابل الجهد

يظهر منحنى السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي أن سعة الوصلة (Ct) تنخفض مع زيادة جهد الانحياز العكسي. هذا بسبب اتساع منطقة الاستنزاف. وبالتالي، يمكن لتطبيق انحياز عكسي أعلى (ضمن الحدود) تحسين السرعة عن طريق تقليل السعة، على حساب احتمال زيادة تيار الظلام.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة قياسية ذات أطراف شعاعية بقطر 5 مم (T-1 3/4). يحدد رسم الأبعاد التفصيلي القطر، وتباعد الأطراف، وطول الأطراف، وشكل العدسة. ملاحظة رئيسية تحدد أن التسامحات الأبعاد هي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم تحديد الأنود والكاثود، حيث يكون الطرف الأطول عادةً هو الأنود (الجانب الموجب في وضع الخلايا الضوئية).

4.2 تحديد القطبية

يتم الإشارة إلى القطبية بطول الطرف. الطرف الأطول هو الأنود (الجانب P)، والطرف الأقصر هو الكاثود (الجانب N). عند التشغيل في الوضع الضوئي التوصيلي (منحاز عكسياً)، يجب توصيل الكاثود بجهد مصدر التغذية الموجب.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام هو 260°C. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص الشائعة. أثناء اللحام اليدوي، يجب الحرص على تقليل وقت التعرض للحرارة لمنع تلف الغلاف البلاستيكي وعدسة الإيبوكسي. يجب تخزين الجهاز في ظروف ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد (-40°C إلى +100°C) وفي بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يؤثر على الموثوقية أثناء إعادة التدفق.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات التعبئة

طريقة التعبئة القياسية هي: 200-500 قطعة لكل كيس، 5 أكياس لكل صندوق داخلي، و10 صناديق داخلية لكل صندوق رئيسي (خارجي).

6.2 مواصفات الملصق

يحتوي الملصق على العبوة على عدة حقول: CPN (رقم منتج العميل)، P/N (رقم المنتج)، QTY (كمية التعبئة)، LOT No. (رقم الدفعة للتتبع)، ورموز التاريخ. هذا يسهل إدارة المخزون والتتبع.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

تذكر ورقة البيانات: الكشف الضوئي عالي السرعة، أنظمة الأمان، والكاميرات. على وجه التحديد، يناسب هذا الصمام الثنائي الضوئي:

• مستقبلات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء:مقترناً مع LED تحت أحمر بموجة 940 نانومتر ودائرة متكاملة لفك التضمين.
• المشفرات الضوئية:لاستشعار السرعة والموضع في الطابعات، المحركات، أو المعدات الصناعية.
• استشعار ضوء المحيط (ALS):لتحكم إضاءة الخلفية للشاشة في الأجهزة، على الرغم من أن حساسيته للأشعة تحت الحمراء قد تتطلب تصفية لقياس الضوء المرئي بدقة.
• كشف الأجسام البسيط:بالاقتران مع مصدر ضوء تحت أحمر لاستشعار القرب أو أجهزة استشعار قطع الشعاع.
• قياس التأكسج النبضي (في الأجهزة الطبية، مع المؤهلات المناسبة):لاستشعار الضوء الأحمر وتحت الأحمر، على الرغم من أن الشهادة الطبية مطلوبة.

7.2 اعتبارات التصميم

تكوين الانحياز:للحصول على استجابة عالية السرعة أو خطية، استخدم الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الضوئي التوصيلي (منحاز عكسياً). تُستخدم دائرة مضخم التيار إلى جهد (TIA) بشكل شائع لتحويل التيار الضوئي إلى جهد. يجب اختيار مقاوم التغذية المرتدة والمكثف في دائرة TIA بناءً على عرض النطاق الترددي المطلوب وسعة الصمام الثنائي الضوئي (18 بيكو فاراد نموذجياً).

تقليل الضوضاء:احتفظ بأطراف الصمام الثنائي الضوئي قصيرة واستخدم تخطيطاً محمياً لتقليل السعة الطفيلية والتقاط التداخل الكهرومغناطيسي. لتطبيقات الإضاءة المنخفضة، فكر في تبريد الجهاز لتقليل ضوضاء تيار الظلام.

اعتبارات بصرية:تسمح العدسة الشفافة بدخول الضوء المرئي وتحت الأحمر. إذا كان الكشف عن الأشعة تحت الحمراء فقط هو المطلوب، يمكن إضافة مرشح يمرر الأشعة تحت الحمراء لحجب الضوء المرئي وتقليل الضوضاء من مصادر الضوء المرئي المحيطية. توفر زاوية الرؤية البالغة 80 درجة مجال رؤية واسعاً؛ يمكن استخدام فتحات بصرية أو عدسات لتضييقه إذا لزم الأمر.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنةً بالصمام الثنائي الضوئي PN القياسي، فإن الصمام الثنائي الضوئي PIN مثل PD333-3C/H0/L2 يحتوي على منطقة جوهرية (I) بين طبقتَي P و N. تخلق هذه المنطقة الجوهرية منطقة استنزاف أكبر، مما يؤدي إلى ميزتين رئيسيتين:1) سعة وصلة أقل:سعة الـ 18 بيكو فاراد منخفضة نسبياً لجهاز بقطر 5 مم، مما يتيح أوقات استجابة أسرع.2) خطية محسنة:تسمح منطقة الاستنزاف الأوسع بجمع أكثر كفاءة لحاملات الشحنة عبر نطاق أوسع من جهود الانحياز وشدة الضوء. مقارنةً بالترانزستورات الضوئية، تكون الصمامات الثنائية الضوئية بشكل عام أسرع ولها خرج أكثر خطية ولكنها تنتج إشارة تيار أصغر بكثير، مما يتطلب تضخيماً أكثر تطوراً.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 ما الفرق بين تيار الدائرة القصيرة (ISC) والتيار الضوئي العكسي (IL)؟

يتم قياس ISC بانحياز صفري عبر الصمام الثنائي (الوضع الضوئي الجهدي)، بينما يتم قياس IL تحت انحياز عكسي محدد (الوضع الضوئي التوصيلي). يكون IL عادةً قريباً جداً من ISC، ولكنه ليس مطابقاً تماماً له. تظهر ورقة البيانات كليهما بقيمة 40 ميكرو أمبير نموذجية تحت نفس ظروف الاختبار.

9.2 لماذا يعتبر تيار الظلام مهماً؟

تيار الظلام هو التيار الصغير الذي يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء. وهو يحدد مستوى الضوضاء الأساسي للمستشعر. في تطبيقات الإضاءة المنخفضة، يكون تيار الظلام المنخفض (5 نانو أمبير نموذجي هنا) ضرورياً لتحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة.

9.3 كيف أختار مقاوم الحمل (RL) لتطبيقي؟

يتضمن الاختيار مقايضة بين السرعة وسعة الخرج. مقاوم حمل صغير (مثل 50Ω) يعطي استجابة سريعة (انظر منحنى tr/tf مقابل RL) ولكن جهد خرج صغير (Vout = IL * RL). مقاوم حمل كبير يعطي جهداً أكبر ولكن استجابة أبطأ بسبب ثابت الوقت RC المتكون من سعة الصمام الثنائي الضوئي و RL. لكشف النبضات الرقمية، غالباً ما تكون الأولوية للسرعة.

9.4 هل يمكنني استخدامه مع مصدر ضوء مرئي مثل LED أحمر؟

نعم، يظهر منحنى الاستجابة الطيفية حساسية كبيرة حتى 400 نانومتر. ومع ذلك، ستكون استجابته عند 650 نانومتر (أحمر) أقل من ذروته عند 940 نانومتر. ستحصل على إشارة أصغر مقارنة باستخدام مصدر تحت أحمر بنفس قوة الضوء.

10. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

الحالة: تصميم مستقبل لرابط بيانات بالأشعة تحت الحمراء.يحتاج المصمم إلى استقبال بيانات مُعدلة من LED تحت أحمر بموجة 940 نانومتر بتردد 38 كيلو هرتز (تردد تحكم عن بعد شائع). يختار PD333-3C/H0/L2 لحساسيته العالية عند 940 نانومتر واستجابته السريعة (زمن صعود 45 نانو ثانية أكثر من كافٍ لـ 38 كيلو هرتز). يتم تحيز الصمام الثنائي الضوئي عكسياً عند 5 فولت. يتم توصيل الخرج بدائرة متكاملة مخصصة لمستقبل الأشعة تحت الحمراء (والتي تتضمن TIA، مرشح نطاق مضبوط على 38 كيلو هرتز، وفك تضمين). يضع المصمم الصمام الثنائي الضوئي بالقرب من دخل الدائرة المتكاملة، ويستخدم مسارات قصيرة، ويضيف مكثف فصل صغير بالقرب من مصدر الانحياز لتقليل الضوضاء. يتم وضع نافذة شفافة للأشعة تحت الحمراء أمام الصمام الثنائي الضوئي لحجب الضوء المرئي وتقليل التداخل من المصابيح الفلورية، التي يمكن أن تومض بتردد 100/120 هرتز.

11. مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز شبه موصل يحول الضوء إلى تيار كهربائي. عندما تصطدم فوتونات ذات طاقة أكبر من فجوة النطاق للشبه موصل بالجهاز، فإنها تولد أزواج إلكترون-فجوة في المنطقة الجوهرية. تحت تأثير المجال الكهربائي المدمج (في الوضع الضوئي الجهدي) أو انحياز عكسي مطبق (في الوضع الضوئي التوصيلي)، يتم فصل حاملات الشحنة هذه، مما يخلق تياراً ضوئياً قابلاً للقياس يتناسب مع قوة الضوء الساقط. طبقة "I" (الجوهرية) هي المفتاح: فهي مخففة التشويب، مما يخلق منطقة استنزاف واسعة تقلل السعة لسرعة أعلى وتحسن الكفاءة الكمية من خلال توفير حجم أكبر لامتصاص الفوتونات.

12. اتجاهات التكنولوجيا

الاتجاه العام في تكنولوجيا الصمامات الثنائية الضوئية هو نحو تكامل أعلى، ضوضاء أقل، وتخصص أكبر للتطبيق. وهذا يشمل تطوير صمامات ثنائية ضوئية مع تضخيم على الشريحة (مجموعات متكاملة من الصمام الثنائي الضوئي والمضخم)، مصفوفات للتصوير أو الاستشعار متعدد القنوات، وأجهزة باستجابات طيفية مخصصة أو مرشحات ضوئية مدمجة. هناك أيضاً بحث مستمر في مواد تتجاوز السيليكون (مثل InGaAs) للكشف في نطاق الأشعة تحت الحمراء الممتد. بالنسبة للمكونات التجارية القياسية مثل الصمام الثنائي الضوئي PIN بقطر 5 مم، يظل التركيز على تقليل التكلفة، وتحسين الموثوقية، وتحقيق توزيعات معايير أكثر ضيقاً مع الحفاظ على مقاييس الأداء الرئيسية مثل السرعة والحساسية.